Wärmelehre/Energieumsetzung
Optimierung von Verbrennungsmotoren II

Thema: Wärmekraftmaschinen, Optimierung durch moderne Techniken

Inhalt

energie

Oben links:
Die Grafik zeigt, wie viel von der eingesetzten Primärenergie beim Betrieb eines herkömmlichen Autos "verloren" geht, bzw. wie wenig für den eigentlichen Zweck, nämlich den Transport von Personen und/oder Lasten, übrigbleibt. Der geringe Wirkungsgrad fordert geradezu eine Verbesserung durch technische Fortentwicklung.

Unten:
Die Darstellung zeigt wichtige Merkmale der modernen Motorkonstruktion und des elektronischen Motormanagements. Man beachte, dass sich nicht alle Elemente moderner Motorenkonstruktion zugleich an einem Motor finden lassen.

Oben rechts:
Das Schema zeigt das wohl bekannteste Beispiel moderner Motorelemente, den Abgas-Turbolader. Er hat die Aufgabe, die Füllung des Motors entscheidend zu verbessern. Einer seiner Vorteile ist, dass zu seinem Antrieb keine weitere Motor-leistung aufgebracht werden muss, sondern er durch die an seinem Turbinenrad vorbeistreichenden Abgase angetrieben wird. Die Welle im Innern des Turboladers wird durch die Abgase in schnelle Drehung versetzt. Auf derselben Welle sitzt ein zweites Schaufelrad, mit dessen Hilfe die Außenluft angesaugt und verdichtet wird, das so genannte "Verdichterrad".

Ein prinzipieller Nachteil dieses Systems wird durch eine Zusatzkonstruktion vermieden: Wenn der Abgas-Turbolader so ausgelegt würde, dass er im oberen Drehzahlbereich (Volllast) die richtige Luftmenge fördert, lieferte er bei unteren und mittleren Drehzahlen zu wenig. Legte man ihn so aus, dass er schon im letztgenannten Bereich richtig fördert, würde er im oberen Drehzahlbereich zu viel Luft bringen. Daher wählt man folgendes Bauprinzip: Der Lader wird dafür ausgelegt, schon im unteren und mittleren Bereich optimal zu arbeiten. Steigt dann die Drehzahl und damit der Druck hinter dem Verdichterrad, öffnet der anwachsende Druck über ein "Ladedruckregelventil" eine "Bypass-Leitung", wodurch ein immer größerer Teil der Abgase an der Turbine vorbeiströmen kann. Durch diese Bauweise steigt die Förderleistung des Laders beim Hochdrehen des Motors schnell auf einen Nennwert an, der bei weiterer Drehzahlsteigerung nicht mehr überschritten wird.

    Für einen relativ geringen Mehraufwand bietet der Abgasturbolader:
  • mehr Motorleistung bei gleichem Verbrauch, bzw.
  • weniger Verbrauch bei gleicher Motorleistung,
  • bessere Abgaswerte,
  • bessere Kraftentfaltung des Motors auch bei unteren und mittleren Drehzahlen.

Eine weitergehende Erklärung aller Elemente moderner Motorkonstruktion würde den Rahmen dieser Lehrerinformation sprengen; es sei auf die Literaturliste verwiesen!

  • Elektronisches Motormanagement:
  • elektronische Steuerung über Stellglieder (Aktoren): von Kraftstoffzufuhr über elektrische Kraftstoffpumpen, Zündzeitpunkt (Ottomotor) bzw. Einspritzbeginn (Dieselmotor), Einspritzmenge und -dauer, Drosselklappenverstellung, Füllung der Zylinder bei Leerlauf und unter Last, Tankentlüftung, Abgasrückführung, Sekundärlufteinblasung etc. soweit vorhanden. Dazu werden mittels zahlreicher Sensoren Daten abgefragt über Drehzahl, Kurbelwellenstellung, Nockenwellenstellung, Motorklopfen, Ansaugluftmenge und -temperatur, Motortemperatur, Kühlmitteltemperatur, Fahrpedalstellung, Drosselklappenstellung, Fahrgeschwindigkeit, Abgaszusammensetzung (Signal der Lambda-Sonde), (Temperatur der Abgasrückführung etc. soweit vorhanden).
  • Einsatz eines Katalysators
  • Verwendung von Kraftstoffeinspritzung auch beim Ottomotor (statt Vergaser)
  • Verwendung neuartiger Einspritzsysteme beim Dieselmotor, welche zusammen mit elektronischer Regelung eine optimale, unabhängige Steuerung von Einspritzmenge, -beginn und -dauer ermöglichen:
    • Common-Rail-Technik (= Nutzung einer gemeinsamen, länglichen Kammer, die mit Kraftstoff unter hohem Druck – bis zu etwa 1 600 bar – gefüllt ist, für alle Zylinder; aus dieser wird der Einspritzvorgang für die Einzelzylinder über Magnetventile individuell eingeleitet und elektronisch gesteuert.)
    • Pumpe-Düse-Technik (je eine Einspritzpumpe für jeden Zylinder, die jeweils über die Nockenwelle angetrieben wird; der Einspritzvorgang, der unter einem sehr hohen Druck stattfindet – bis zu etwa 2 300 bar –, kann auch hier für jeden Zylinder zeitlich individuell eingeleitet und in der Menge gesteuert werden.)
    • Verwendung der "Mehrventiltechnik" (= mehr als nur je ein Einlass- und ein Auslassventil pro Zylinder, welche als Minimum für die Funktion eines Otto- oder Dieselmotors erforderlich sind)
    • Einsatz von variablen Ventilsteuerzeiten

Die Kopiervorlage zu Optimierung von Verbrennungsmotoren II knüpft direkt an die Inhalte von Optimierung von Verbrennungsmotoren I und 2 an. Den Schülern wird im oberen Teil mit einem Kennfeldvergleich exemplarisch vor Augen geführt, wie viel differenzierter die Motorelektronik gegenüber einer herkömmlichen Mechanik auf abgefragte Parameter reagieren kann. Im unteren Teil soll den Schülern klar werden, dass es sich bei dem oben vorgestellten Kennfeldbeispiel tatsächlich nur um eines von vielen handelt. Deshalb werden einige der Abfrageparameter einer modernen Motorelektronik vorgestellt. Ohne die Funktion eines jeden der genannten Sensoren bzw. Aktoren detailliert zu kennen, sollten die Schülerinnen und Schüler in der Lage sein, an der Namensgebung der Bauteile ihre Funktion als "Sensor" oder "Aktor" zu identifizieren.

Lernziele: Die Schüler sollen eine Vorstellung davon bekommen, wie sehr eine moderne Motorelektronik nahezu alle Abläufe im Motor steuert und regelt, und zumindest diesen Sachverhalt mit eigenen Worten beschreiben können. Nicht vorgesehen ist, dass die Schüler über die zahlreichen genannten Bauteile detaillierte Funktionskenntnisse aufweisen. Allerdings ist der Auftrag, hier noch ein wenig "tiefer zu schürfen" und etwas mehr über die Aufgaben der erwähnten Bauteile zu verraten, sicherlich ein lohnenswertes Referatthema für einen interessierten Schüler!

Video zur Direkteinspritzung beim Diesel (2084 KB)